近十五年來江漢平原LUCC軌跡分析

徐小嬌，周建峰，王文麗，王宏志

(華中師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430079)

20世紀(jì)90年代以來，土地利用/覆被變化(land use/cover change，LUCC)的研究已成為全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一[1].實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地了解土地利用/覆被格局及其動(dòng)態(tài)變化的特征，對(duì)于及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、提高土地利用效率、制定科學(xué)合理的土地政策、促進(jìn)區(qū)域土地資源可持續(xù)利用具有重要意義.國外LUCC研究主要是對(duì)區(qū)域或全球尺度的LUCC過程、動(dòng)力機(jī)制和環(huán)境效應(yīng)的研究及其案例比較研究[2-5]與模型研究[6-7]等；國內(nèi)多以“生態(tài)脆弱區(qū)”[8-11]和人類活動(dòng)活躍的“熱點(diǎn)區(qū)”[12-16]等典型區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，以遙感影像等多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用GIS空間分析和系統(tǒng)分析等方法對(duì)LUCC進(jìn)行監(jiān)測、模擬與預(yù)測，并對(duì)驅(qū)動(dòng)力和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析研究等[9-22].隨著對(duì)糧食安全研究的深入，農(nóng)村與農(nóng)業(yè)集中區(qū)的LUCC研究越來越受到重視[16].江漢平原是我國重要的商品糧棉油產(chǎn)區(qū)，其LUCC關(guān)系到區(qū)域乃至全國的生態(tài)及糧食安全，是全球變化研究的重點(diǎn)區(qū)域之一[17-22].從發(fā)表的區(qū)域研究成果來看，江漢平原LUCC變化的系統(tǒng)研究多是基于2000年以前的TM數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，尚缺乏近10年來的系統(tǒng)研究成果.擬以中科院基于1995、2000、2005和2010年TM影像建立的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對(duì)江漢平原近15年來LUCC軌跡及時(shí)空特征和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，為區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和土地利用管理提供決策支持.

1 研究方法

1.1研究區(qū)域概況江漢平原(29°26′～31°13′N，111°30′～114°32′E)位于湖北省中南部，由長江和漢水共同沖積、洪積、淤積而成，含16個(gè)縣市級(jí)行政管理區(qū)，總面積為31 034 km2，是長江中游平原的主體部分.江漢平原地勢低平，海拔一般低于100 m，大部分在40 m以下，邊緣的蝕余丘陵海拔高度可達(dá)200～300 m.區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)縱橫，湖泊眾多，土層深厚，水、熱、溫、光資源豐富[17-18，20].由于主要關(guān)注江漢平原的農(nóng)村和農(nóng)業(yè)區(qū)，故而研究區(qū)域并沒有包含武漢市在內(nèi).

1.2數(shù)據(jù)來源及處理江漢平原土地利用/覆被信息源為中科院基于1995、2000、2005和2010TM遙感影像建立的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)庫.在ARCGIS9.2平臺(tái)支持下，首先利用ArcToolbox中的dissolve命令將原有數(shù)據(jù)庫中的二級(jí)地類合并為一級(jí)地類，即合并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類；再利用Overlay分析模塊的Intersect命令，將各期土地利用/土地覆被矢量圖層分別執(zhí)行1995-2000、2005-2010和1995-2010年的空間疊加分析，分別得到3個(gè)時(shí)期的LUCC矢量圖層；然后利用Field Calculator計(jì)算疊加后新生成的斑塊面積，并將新生成的屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)出，存儲(chǔ)為Excel的格式.

1.3 LUCC模型

1.3.1 轉(zhuǎn)移矩陣和變化軌跡 利用Excel軟件中數(shù)據(jù)透視表的功能可建立各期的土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)移矩陣和變化軌跡.轉(zhuǎn)移矩陣和變化軌跡可全面、具體地刻畫各個(gè)時(shí)期區(qū)域土地利用/覆被變化的結(jié)構(gòu)特征、土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)變的數(shù)量和方向[21].

1.3.2 單一土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)度雙向模型 單一土地利用/覆被動(dòng)態(tài)度雙向模型(公式1)用于分別計(jì)算土地利用類型a的年均轉(zhuǎn)出或轉(zhuǎn)入的土地面積占研究期初面積的比率[21-22]，格式如下.

(1)

式中，a，j分別代表第a，j類土地利用類型；Kaj、Kja分別代表第a類土地利用/覆被類型在某一時(shí)間段的年均轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入比率；∑Uaj、∑Uja分別代表在該時(shí)段內(nèi)第a類變?yōu)槠渌愋?、其他類型變?yōu)榈赼類的面積總和；Ua表示第a類土地利用/覆被類型的初始面積，T代表研究時(shí)段(年).

2 江漢平原土地利用/覆被變化分析

2.1江漢平原土地利用/覆被變化總體特征利用空間統(tǒng)計(jì)功能得到各期江漢平原土地利用/覆被類型面積表，并計(jì)算各類型的構(gòu)成，得到表1.

表1 1995-2010年各期江漢平原土地利用/覆被類型構(gòu)成 km2；%

由表1可知，研究基期(1995)江漢平原土地利用/土地覆被的構(gòu)成為耕地占71.27%、水域占11.7%、林地占7.52%、建設(shè)用地占7.51%、草地和未利用地占1.99%，到研究末期(2010)分別為66.73%、14.95%、7.62%、8.39%、2.31%，耕地面積持續(xù)減少，而林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地均有所增加.耕地15年間共減少了1 282.01 km2，占耕地總量的6.37%；水域和建設(shè)用持續(xù)增加，15年內(nèi)分別增加了915.27 km2和247.95 km2，分別占其總量27.70%和11.60%；而林地、草地和未利用地等地類穩(wěn)中有升.

表21995-2010年江漢平原土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣km2

19952010草地建設(shè)用地耕地林地水域未利用地草地—0．880．120．265．561．88建設(shè)用地0．14—33．892．287．192．60耕地40．81265．12—56．981021．4157．99林地0．0518．1012．38—15．950．45水域14．849．3886．8513．53—138．90未利用地0．570．5627．051．43128．67—

利用Excel軟件中數(shù)據(jù)透視表功能建立1995-2010的土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣表2.表2中，行表示各地類研究期(1995-2010)轉(zhuǎn)出的面積，列表示研究期轉(zhuǎn)入的面積，顯示了土地利用/覆被的雙向變化特征.以耕地為例，15年間共流出1 442.31 km2，其中1 021.41 km2轉(zhuǎn)為水域，占耕地總轉(zhuǎn)出量的70.81%；265.12 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，占耕地總轉(zhuǎn)出量的18.38%；共流入160.29 km2，其中由水域轉(zhuǎn)入86.85 km2，由建設(shè)用地轉(zhuǎn)入33.89 km2，由未利用地轉(zhuǎn)入27.05 km2.表2也清楚地顯示了其他土地利用/覆被類型變化的數(shù)量和方向.

結(jié)合表1和表2可見，15年來江漢平原LUCC的主要特征是耕地相關(guān)的變化.耕地雙向變化中流出、流入面積比約為9∶1，主要趨勢為流出、轉(zhuǎn)化為水域和建設(shè)用地，顯示出“退田還湖”政策和城市化是區(qū)域土地利用/土地覆被流出的主要影響因素；在流入耕地的類型中，以水域、建設(shè)用地和未利用地為主，其中水域、未利用地為區(qū)域傳統(tǒng)的耕地增加方式，而建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦仫@示出土地整理對(duì)區(qū)域耕地增加的作用.

2.2 江漢平原LUCC軌跡分析

2.2.1 LUCC軌跡的時(shí)序特征 利用通過分期空間疊加獲得的土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)，計(jì)算了江漢平原前期(1995-2000)、中期(2000-2005)和后期(2005-2010)3個(gè)時(shí)期內(nèi)各主要土地利用/覆被類型的單一類型的雙向動(dòng)態(tài)度(表3)，并分析了1995-2010土地利用/覆被變化的軌跡(表4).

由表3可見，3種主要地類的變化顯示出完全不同的態(tài)勢.3個(gè)時(shí)期水域變化最為活躍，水域面積增加是本區(qū)域土地利用變化最顯著的標(biāo)志，轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入率均比較高，尤其是1995-2000年期間，其轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入率均為最高，分別為1.27和3.27，顯示出退田還湖政策對(duì)江漢平原區(qū)域土地利用/覆被變化的影響最為顯著.3個(gè)時(shí)期水域的轉(zhuǎn)入率分別是同期年均轉(zhuǎn)出率的2.6倍、10.2倍和2.16倍，屬于持續(xù)擴(kuò)張型；耕地的轉(zhuǎn)出率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入率，分別是同期年均轉(zhuǎn)入速率的5倍、30倍和6倍，屬于高速衰減型；建設(shè)用地變化顯示了與耕地完全相反的趨勢，建設(shè)用地同期轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積比分別為2.1、501.2和12.2，屬于高速擴(kuò)張型.

表3 1995-2010年江漢平原單一LUCC的雙向動(dòng)態(tài)

整個(gè)江漢平原LUCC呈前期快、中后期緩和的態(tài)勢，其中以耕地流出為主要趨勢.由表4可見，土地利用類型變化軌跡耕地-水域-水域-水域和耕地-耕地-水域-水域的面積分別為423.68 km2和370.12 km2，共占1995-2010年水域面積增加量的67.34%，說明江漢平原水域的增加主要以2005年以前的耕地轉(zhuǎn)入為主，以1995-2000時(shí)期為最大；變化軌跡耕地-耕地-耕地-建設(shè)用地的面積為172.58 km2，占1995-2010年建設(shè)用地增加量的58.69%，說明江漢平原建設(shè)用地的增加主要是在2005年以后由耕地轉(zhuǎn)入；變化軌跡水域-耕地-耕地-耕地和建設(shè)用地-耕地-耕地-耕地的面積分別為46.93 km2和24.59 km2，共占1995-2010年耕地面積增加量的44.62%，水域-水域-水域-耕地和未利用地-未利用地-未利用地-耕地的面積分別為35.67 km2和10.68 km2，共占1995-2010年耕地面積增加量的28.92%，說明江漢平原耕地面積的增加主要以2000年以前的水域和建設(shè)用地及2005年以后的水域和未利用地轉(zhuǎn)入為主；另外未利用地-水域-水域-水域和水域-未利用地-未利用地-未利用地變化軌跡也比較突出，說明江漢平原在2000年以前水域和未利用地之間的相互轉(zhuǎn)化也較顯著.

表4 1995-2010年江漢平原主要土地利用/覆被類型變化軌跡

2.2.2 LUCC軌跡的空間特征 分別提取1995-2000、2000-2005和2005-2010年的LUCC信息，成圖顯示得到圖1.由圖1可以得到與前面分析相一致結(jié)論，即:整個(gè)江漢平原LUCC呈前期快、中后期緩和的態(tài)勢.與此同時(shí)，由圖1可見，江漢平原LUCC在不同的時(shí)段呈現(xiàn)出明顯不同的空間分布特征.早期、中期東部平原區(qū)(漢川、仙桃、洪湖和監(jiān)利縣)LUCC變化率明顯高于其他地區(qū)；而后期這種趨勢有所緩和，雖然東部平原區(qū)的LUCC仍然很顯著，但是沙市市、江陵縣和潛江市的LUCC也很明顯.

對(duì)主要LUCC類型作變化軌跡分析，由圖2可見，耕地-水域變化軌跡主要集中分布在原有水域邊緣，表現(xiàn)為原有水域的擴(kuò)張，占1995-2010年水域面積增量的62%，以仙桃、洪湖和監(jiān)利等低湖平原區(qū)為主要代表區(qū)域；耕地-建設(shè)用地變化軌跡則主要表現(xiàn)為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣市所在地的向外擴(kuò)張和內(nèi)部填充以及工交建設(shè)占用，分別占建設(shè)用地增量的45%和26%.與此同時(shí)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣市所在地的擴(kuò)張和填充在交通干線(陸路和水路)兩側(cè)比重較大[20].

圖1 1995-2010年江漢平原土地利用/覆被變化

圖2 1995-2000-2005-2010年江漢平原土地利用/覆被變化主要軌跡

3 討論

1995-2010年以來江漢平原土地利用/覆蓋變化，從類型上看，主要表現(xiàn)為耕地面積的持續(xù)減少和湖泊水域及建設(shè)用地的擴(kuò)張；從空間上看，區(qū)域東部動(dòng)態(tài)度明顯高于中西部.水域擴(kuò)張主要表現(xiàn)為在原有水域周邊水面的增加，建設(shè)用地增加主要表現(xiàn)為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣市所在地的向外擴(kuò)張和內(nèi)部填充以及工交建設(shè)占地.

耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗蛑饕菄艺叩尿?qū)動(dòng).1998年特大洪水以后，國務(wù)院提出了治理大江大河的“32字方針”，隨后水利部等又組織編制了《長江平垸行洪、退田還湖規(guī)劃報(bào)告》和《關(guān)于進(jìn)一步做好湖北、湖南、江西、安徽四省平垸行洪、退田還湖、移民建鎮(zhèn)工作的報(bào)告》，1999年又提出了生態(tài)退耕政策，在這些政策的引導(dǎo)和規(guī)范下，江漢平原退田還湖效果顯著，水域面積大幅度增加.本區(qū)域退田還湖所增加的水面很大一部分是魚池，隨著人民生活水平的提高，對(duì)魚類產(chǎn)品的需求增加，同時(shí)養(yǎng)魚收入高于種田收益；但是2004年之后國家實(shí)行了糧食直補(bǔ)政策，同時(shí)糧食價(jià)格持續(xù)走高，許多農(nóng)民又把魚塘改造回了水田.江漢平原耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗虻拿娣e逐時(shí)段呈顯著遞減狀態(tài).

耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地是多種因素共同作用的結(jié)果，1995-2000年主要受1987-1994年間出現(xiàn)的“開發(fā)區(qū)熱”、“房地產(chǎn)熱”和“建房修路熱”的后效影響，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張較快；1997 年國家頒布了“關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)土地管理切實(shí)保護(hù)耕地的通知”后，各類建設(shè)用地猛增的勢頭得到了緩和[17]，2000-2005年江漢平原建設(shè)用地?cái)U(kuò)張率明顯減緩；2006年國家決計(jì)推行中部崛起戰(zhàn)略，區(qū)域交通運(yùn)輸條件明顯改善.“漢宜鐵路”和隨岳高速公路等交通線路的修建占用了大量農(nóng)用地，同時(shí)也帶動(dòng)了沿線投資增加，使江漢平原2005-2010年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張顯著.除了政策之外，人口增加也是區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的重要原因，2005-2009年江漢平原人口增加了10.5萬，伴隨著人口的增長，必然導(dǎo)致為居民服務(wù)的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地的擴(kuò)張.

4 結(jié)論

(1)1995-2010年江漢平原土地利用/覆被變化的主要表現(xiàn)為耕地面積持續(xù)減少、水域和建設(shè)用地面積持續(xù)增加.3個(gè)時(shí)期耕地的轉(zhuǎn)出率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入率，分別是同期年均轉(zhuǎn)入速率的5倍、30倍和6倍，屬于高速衰減型；水域的轉(zhuǎn)入率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)出率，分別是同期年均轉(zhuǎn)出率的2.6倍、10.2倍和2.16倍，屬于持續(xù)擴(kuò)張型；建設(shè)用地同期轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積比分別為2.1、501.2和12.2，屬于高速擴(kuò)張型.

(2)耕地的轉(zhuǎn)入類型中，除了傳統(tǒng)的水域和未利用地外，建設(shè)用地也成為了一種主要的類型.表明土地整理對(duì)于耕地增加的作用也不可小視.

(3)江漢平原東部、中部綜合LUCC動(dòng)態(tài)度明顯高于西部地區(qū)，這種空間格局在前期和中期表現(xiàn)更為明顯.

(4)江漢平原LUCC總體上在1995-2000年最為顯著，水域面積增加在1995-2000年最為顯著，而建設(shè)用地增加在2005-2010年最為顯著.從LUCC軌跡來看，江漢平原水域的增加主要2005年以前的耕地轉(zhuǎn)入為主；建設(shè)用地的增加主要以2005年后的耕地轉(zhuǎn)入為主.水域擴(kuò)張主要集中在原有水域邊緣，占1995-2010年水域面積增量的62%；建設(shè)用地變化軌跡則主要表現(xiàn)為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣市所在地的擴(kuò)張和填充及工交建設(shè)用地占地，分別占建設(shè)用地增量的45%和26%.

(5)江漢平原LUCC特征與退田還湖政策、中部崛起戰(zhàn)略、土地整理等政策的實(shí)施在時(shí)段上基本吻合.

[1] 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域-土地利用/土地覆蓋變化的國際研究動(dòng)向[J].地理學(xué)報(bào)，1996，51(6):553-557．

[2] John Manyimadin Kusimi. Assessing land use and land cover change in the Wassa West District of Ghana using remote sensing[J].GeoJournal，2008，71(4):249-259.

[3] Napton D E，Auch R F，Headley R. Land changes and their driving forces in the Southeastern United States[J].Regional Environmental Change，2010，10(1):37-53.

[4] Ataollah Kelarestaghi，Zeinab Jafarian Jeloudar. Land use/cover change and driving force analyses in parts of northern Iran using RS and GIS techniques[J].Arabian Journal of Geosciences，2011，4(3/4):401-411.

[5] Fusun Balik Sanli，Yusuf Kurucu，Mustafa Tolga Esetlili. Determining land use changes by radar-optic fused images and monitoring its environmental impacts in Edremit region of western Turkey[J].Environmental Monitoring and Assessment，2009，151(1/4):45-58.

[6] Diego Valbuena，Peter H Verburg，Arnold K Bregt. An agent-based approach to model land-use change at a regional scale. Landscape Ecology，2010，25(2):185-199.

[7] Terry L Sohl，Thomas R Loveland，Benjamin M Sleeter. Addressing foundational elements of regional land-use change forecasting[J].Landscape Ecology，2010，25(2):233-247.

[8] 宋乃平，王磊，張慶霞，等.農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)典型村域的土地利用變化過程研究——以鹽池縣馬兒莊村為例[J].資源科學(xué)，2010，32(6):1148-1153.

[9] 楊東，鄭鳳娟，劉洪敏，等.干旱內(nèi)陸河流域土地利用變化的人文驅(qū)動(dòng)因子分析——以甘肅省酒泉市為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24(11):12-17.

[10] 楊格格，楊艷昭，封志明，等.南方紅壤丘陵地區(qū)土地利用變化特征——以吉泰盆地為例[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29(4):483-488.

[11] 李志，周生路，陸長林，等.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)城市邊緣區(qū)土地利用變化模擬與預(yù)測——以南京市江寧區(qū)為例[J].土壤，2010，42(2):314-318.

[12] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿?，徐新良，?21世紀(jì)初中國土地利用變化的空間格局與驅(qū)動(dòng)力分析[J].地理學(xué)報(bào)，2009，64(12):1411-1420.

[13] 楊國清，吳志峰，祝國瑞.廣州地區(qū)土地利用景觀格局變化研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(5):218-221.

[14] 朱會(huì)義，李秀彬，何書金，等.環(huán)渤海地區(qū)土地利用的時(shí)空變化分析[J].地理學(xué)報(bào)，2001，56(3):253-260.

[15] 黎夏.珠江三角洲發(fā)展走廊1988-1997年土地利用變化特征的空間分析[J].自然資源學(xué)報(bào)，2004，19(3):307-315.

[16] 陳百明，劉新衛(wèi)，楊紅.LUCC研究的最新進(jìn)展評(píng)述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22(1):22-29.

[17] 李仁東，程學(xué)軍，隋曉麗.江漢平原土地利用的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析[J].地理研究，2003，22(4):423-431.

[18] 吳勝軍，程學(xué)軍，吳沖龍.江漢平原土地利用變化分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(15):4596-4597，4629.

[19] 李仁東，莊大方，王宏志，等.洞庭湖區(qū)近20年土地利用/覆蓋變化的時(shí)空特征[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22(2):164-169.

[20] 王宏志，宋明潔，李仁東，等.江漢平原建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空特征與驅(qū)動(dòng)力分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，20(4):416-421.

[21] 朱會(huì)義，李秀彬.關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58(5):643-650.

[22] 王宏志，李仁東，毋河海.土地利用動(dòng)態(tài)度雙向模型及其在武漢郊縣的應(yīng)用[J].國土資源遙感，2002，(2):20-33.